Effect of Nozzle Hole Number on Fuel Spray and Emission Characteristics of High Pressure Diesel Injector

고압 디젤 인젝터 노즐 홀 수가 연료 분무 및 배기 특성에 미치는 영향

전 문 수

Effect of Nozzle Hole Number on Fuel Spray and Emission Characteristics of High Pressure Diesel Injector

Mun Soo Chon

Key Words: Spray characteristics( 분무 특성 ), Nozzle hole number( 노즐 홀 수 ), Clean diesel engine( 클린디젤엔진 )

Abstract

This paper This paper presents effect of nozzle hole number on spray characteristics and engine performance. Exper- iments were conducted to measure spray penetration and SMD distributions using a spray visualization system and PDPA (phase Doppler particle analyzer) system. In addition, engine performance and emission characteristics were measured using a single cylinder engine and emssion measurement systems. Results showed that 8-hole-injector exhib- its improved spray performances. Furthermore, soot emission was decreased with 8-hole-injector, compared to that of 6-hole-injector.

1. 서 론

최근 자동차로부터 배출되는 이산화탄소의 발생을 억

제하기 위한 고연비 차량에 대한 관심은 Euro-6 ^{와 같은}

범 국가적 규제의 문제를 떠나 소비자에게는 실생활 문 제로 인식되고 있어 이를 만족시키기 위한 기술적 노력 이 절실히 요구되는 상황이다 . ^{따라서 열효율 측면에서}

상대적으로 유리한 디젤 자동차의 보급이 전 세계적으 로 꾸준히 증가하고 있으며 , 국내의 경우에도 커먼레일 방식의 연료 공급 시스템을 장착한 클린 디젤 자동차의

보급이 점차로 증가하고 있는 추세이다

.

클린 디젤 엔진은 약 1,350 bar 의 연료 분사 압력을

적용한 커먼레일 시스템 및 솔레노이드 구동 방식의 인

젝터가 개발되면서부터 본격적으로 대중적 보급이 이루 어지기 시작되었으며 , 최근에는 인젝터 가공 기술의 발

달로 약 2,000 bar 이상의 분사 압력에서 기존의 인젝터

노즐 홀 수를 8 개로 증가시킨 서보 솔레노이드 방식 인 젝터가 개발되어 Euro-6 및 Post Euro-6 와 같은 보다 엄 격한 연비 및 배기 규제를 만족시킬 수 있는 핵심 연소

기술의 기술적 토대가 어느 정도 이루어진 상태이다

.

그러나 2,000 bar 이상의 고압 연료 분사 시스템 적

용은 실제 엔진 연소 시스템과 기술적 매칭이 이루어 져야 가능한 기술이며 , ^{이러한 기술적 매칭은 인젝터}

의 분무 특성 , 연소 특성 및 배기 특성 등을 고려한 연 소실 형상 최적화를 바탕으로 이루어져야 한다 . 따라 서 본 연구에서는 인젝터 노즐 홀 수의 변화에 따른 고압 디젤 인젝터의 클린 디젤 엔진 적용 가능성을 확 인하고 연소실 형상 최적화를 위한 데이터를 확보하기 위하여 연료 분무 특성을 확인하고 인젝터 노즐 홀 수 의 변화에 따른 엔진 연소 및 배기 특성을 실험적으로 규명하였다 .

(2011

~ 2011

, 2011

)

†한국교통대학교에너지시스템공학과

E-mail : [email protected]

TEL : (043)841-5292 FAX : (043)841-5280

2. 실험 장치 및 방법

2.1 실험 장치

본 연구에서는 먼저 서보 솔레노이드 및 피에조 방식 의 고압 디젤 인젝터의 클린 디젤 엔진 적용성을 확인

하고자 Bosch 법을 이용한 분사율 측정 장치를 사용하여

연료 분사율 특성을 파악하였다

. ^{연료 분사율 측정 장}

치는 인젝터 관내의 압력파를 측정하는 압력 센서가 장 착된 어댑터 , 길이가 약 5 m 인 측정관 , 그리고 잔여 맥 동을 감쇠하기 위한 압력 용기와 배압을 조절하고 유지 시키는 압력 조절 밸브로 구성하였으며 , 인젝터의 분사 신호와 압력 취득 신호를 동기화를 위한 인젝터 드라이

버 , 관내의 압력의 변화를 측정하기 위해 최고 200 bar

까지 측정할 수 있는 압력센서 및 등을 사용하여 연료 분사율 데이터를 취득하였다 .

한편 , 분무 발달 과정을 정량화하기 위한 가시화 시스

템은 커먼레일 방식의 고압 연료 공급 장치 , Nd:YAG

레이저를 광원으로 하는 고속 카메라 , 분무 영상 취득 및 분석 장치 등으로 구성하였으며 , 고속 카메라의 촬영 신호와 인젝터의 분사 신호는 디지털 함수 발생기를 이 용하여 동기화하였다 . 또한 인젝터는 인젝터 드라이버 를 통해 원하는 조건에서 구동할 수 있도록 시스템을 구축하였으며 , ^{실제 엔진 연소실의 조건을 모사하기 위}

해 최대 6 MPa 까지 가압할 수 있는 체임버를 사용하였

으며 , 분무 입경 측정은 5W 수냉식 Ar-ion 레이저 , 트랜 스미터 , 리시버 , 신호 처리 장치 등으로 구성된 위상 도 플러 입자 분석기를 사용하였다

.

2.2 실험 조건 및 방법

분무 특성을 비교하기 위한 테스트 인젝터는 Table 1

에 나타낸 바와 같이 노즐 홀 수가 각각 6 개 , 8 개인 서 보 솔레노이드 구동 방식 인젝터를 대상으로 실험을 수 행하였다 . ^{인젝터 구동 드라이버의 통전 시간은} 1 msec

로 고정하였으며 , 연료의 분사 압력은 80 MPa 및 120 MPa 로 변화시켰다 .

한편 인젝터 노즐의 홀 수가 엔진 성능 및 배기가스

에 미치는 영향을 분석하기 위한 엔진 실험 장치를 Fig.

1 과 같이 구성하였다 . 엔진 실험 장치는 커먼레일 단기 통 디젤 엔진 , 연료 공급 및 압력 제어 장치 , 연료 분사 제어장치 , ^{연소 및 배기 가스 분석을 위한 계측 장비 등}

으로 구성하였다 .

실험 엔진은 압축비가 17.8, 배기량이 373.3cc 인 커먼

레일 분사 시스템 단기통 디젤 엔진이며 , DC ^동력계 (55

kW) ^{에 연결하여 엔진의 회전 속도 및 구동 토크를 제어}

하였다 . 엔진 연료 공급 및 분사 압력은 병렬로 연결된

두 개의 고압 펌프 (HSF-300, Haskel) 를 이용하여 고압

분사 챔버 내에 연료를 압송하고 , ^{압력 제어 장치를 통}

하여 커먼레일의 압력을 일정하게 유지할 수 있도록 구 성하였다 .

한편 연료 분사 시기는 크랭크각 센서 (1,800pulse/rev)

와 캠축 위치 센서에서 검출된 신호를 타이밍 펄스 발 생기 (timing pulse generator) 를 보내 TDC 를 인식한 후

0.1

^{단위로 제어 가능하도록 시스템을 구성하였으며} ,

인젝터 드라이버 (TDA 3300, TEMS) 와 동기시켜 미리

지정된 크랭크 각도에서 연료를 분사하고 인젝터 통전 시간을 조절하여 연료 분사량을 제어할 수 있도록 시스

Table 1 Specifications of test injectors Test injector Injector #1 / Injector #2 Type of injector Solenoid driven

No. of holes 6 / 8

Fig. 1 Experimental apparatus of single cylinder engine Table 2. Specifications of single cylinder engine

Type 1 cylinder CI engine

Bore(mm)×Stroke(mm) 75×84.5 Displacement volume(cc) 373.3

Compression ratio 17.8

Valve type DOHC/4 Valve

Fuel injection system Bosch common rail

템을 구축하였다 .

연소 압력 데이터는 실린더 헤드에 설치한 피에조 압 전 소자 방식의 압력 센서 (6052C, Kistler) 와 DAQ 보드

(PCI-MIO-16E-1, NI) ^{를 이용하여 취득하였으며} , ^취득된

데이터는 Labview 를 이용하여 실시간으로 연소 해석을

할 수 있도록 연소 해석 시스템을 구성하였다 . 한편 , 인 젝터 노즐 홀 수가 배기 특성에 미치는 영향을 분석하기

위하여 스모크 미터 (AVL) 와 배기 가스 분석기 (MEXA-

554JK, HORIBA) 를 배기 파이프 후단에 설치하여 입자

상 물질 , ^{질소산화물} , ^{미연 탄화수소 및 일산화탄소 등}

의 배출량을 측정하였으며 실험에 사용된 엔진의 주요

제원을 Table 2 에 나타내었다 .

한편 , 분무 입경 측정을 위하여 Fig. 3 에 나타낸 가시

화 결과를 이용하여 분무 중앙의 축 방향인 Z ^축 , ^분무

방향 좌측인 L 축 , 그리고 우측인 R 축을 정의하고 인젝 터 구동 드라이버의 통전 시간이 1 msec 일 때 분무 중 심인 노즐 팁으로부터 분무 중심을 따라 50 mm ^떨어진

위치를 분무 입경 측정 위치로 정의하였다 .

3. 결과 및 고찰

3.1 연료 분사율 특성

Fig. 2 와 Fig. 3 에는 각각 Table 1 에 나타낸 6 공 인젝 터와 8 공 인젝터의 분사율을 측정하여 나타내었다 . 선 도에 나타낸 바와 같이 본 연구에 적용한 인젝터의 경 우 , ^{노즐 홀 수가} 8 ^{개인 인젝터의 분사율이} 6 ^{개인 인젝}

터 보다 증가한 것을 알 수 있으며 , 노즐 홀 수가 증가 함에 따라 분사 종료 시간이 다소 늘어나고 있음을 알 수 있다 .

또한 분사 압력이 120 MPa 로 증가하면 분사율 피크

값과 분사 종료 시점이 더욱 증가하여 연료 분사량이 증가하고 있음을 확인할 수 있으며 , ^{이때의 실제 분사량}

은 분사 압력이 80 MPa 일 경우 24.1 mg 에서 30.7 mg

으로 , 분사 압력이 120 MPa 일 경우 53.1 mg 에서 56.2 mg ^{으로 증가하였다} .

3.2 분무 가시화 특성

Fig. 4 ^와 Fig. 5 ^{는 각각 본 연구에 적용한} 6 ^{공 및} 8 ^공

인젝터의 분무 특성을 가시화하여 분무 도달 거리 (spray tip penetration) 를 정량화한 선도이다 . 가시화 실험 결과 분사 압력에 관계없이 두 인젝터 모두 동일한 시간에 분무 발달이 시작되고 있어 두 인젝터의 응답 성능이 동일함을 확인할 수 있다 .

한편 , ^{분무 도달 거리는} 6 ^{공 인젝터의 경우가} 8 ^{공 인}

젝터에 비해 다소 큰 것으로 나타나고 있으며 , 이러한

경향은 분사 압력을 120 MPa 로 상승시킨 경우에 더욱

뚜렷하게 나타나 8 공 인젝터의 경우 노즐 지름이 다소

Fig. 2 Measurement point for SMD of spray

Fig. 3 Injection rate vs. time after start of injection (P

=80 MPa, T

=1 msec)

Fig. 4 Injection rate vs. time after start of injection

(P

=120 MPa, T

=1 msec)

작게 가공되어 분무 도달 거리가 감소한 것으로 판단 되며 , 따라서 인젝터 홀 수의 증가는 상대적으로 협소 한 연소실의 적용이 가능할 수 있다는 것을 예측할 수 있다 .

3.3 분무 미립화 특성

Fig. 6 ^{에는 연료의 분사 압력이} 60 MPa, ^{분위기 압력}

을 대기압으로 유지한 상태에서 6 공 및 8 공 인젝터의 미립화 특성을 확인하기 위하여 노즐 팁으로부터 분무

중심을 따라 50 mm ^{떨어진 위치에서} SMD ^{를 측정하여}

나타낸 결과이다 . 선도에 나타낸 바와 같이 노즐 팁으로

부터 50 mm 떨어진 위치에서 분무 선단부 (head) 의

SMD ^는 6 ^{공 인젝터의 경우 약} 16~24 ^µ m ^{의 범위에 분}

포하고 있으며 , 8 공 인젝터의 경우에는 이보다 다소 낮

은 수준인 약 13~21 µ m 의 범위에 분포하고 있음을 알

수 있다 . 그러나 분무 후단부 (tail) 로 가면 SMD 분포는

이보다 안정되어 6 공 인젝터의 경우 약 12~16 µ m, 8 공

인젝터의 경우에는 좀 더 낮은 수준인 약 11~14 µ m 의

범위에 골고루 분포하고 있음을 확인할 수 있다 .

따라서 본 실험에 적용한 8 공 인젝터의 노즐의 지름

이 다소 작게 가공된 것으로 예측할 수 있으며 , Overall

SMD ^{는 각각} 18.03 ^µ m, 15.32 ^µ m ^{로 계측되었다} . ^이러

한 Overall SMD 분포도를 Fig. 7 과 Fig. 8 에 각각 나타 내었다 .

3.4 연소 및 배기 특성

이상의 분무 특성 실험 결과를 바탕으로 6 공 인젝터 와 8 ^{공 인젝터를 단기통 엔진에 장착하였을 경우} , ^연소

및 배기 특성을 확인하기 위하여 엔진 연소 실험을 수 행하였다 .

엔진 회전 속도는 1,200 rpm 으로 운전하였으며 , 동일

Fig. 5 Spray tip penetration vs. energizing time (P

=80 MPa, T

=1 msec)

Fig. 6 Spray tip penetration vs. energizing time (P

=120 MPa, T

=1 msec)

Fig. 7 Comparison of SMD measurements (P

=60 MPa, T

=1 msec)

Fig. 8 Drop size histogram of 6_hole injector (P

=60

MPa, T

=1 msec)

한 실험 조건을 유지하기 위하여 연료 분사 압력과 분사

량은 각각 120 MPa, 11.5 mg 으로 동일하게 운전하였다 .

이와 같은 운전 조건에서 연료 분사 시기를 변화시키 면서 연소 압력을 측정하여 연소 해석을 수행하였으며 , IMEP 를 계산하여 Fig. 9 에 나타내었다 .

실험 결과 , 6 공 인젝터를 장착하였을 경우가 8 공 인

젝터를 적용한 경우에 비해 도시 평균 유효 압력 (IMEP)

가 상대적으로 높게 나타났다 . 이러한 결과는 본 연구에 서 실험한 단기통 엔진에 장착되는 기본 인젝터가 6 공 인젝터로 엔진의 연소 시스템이 기본 인젝터에 최적화

되었기 때문에 IMEP 가 높게 나타난 결과이다 . 그러나

8 공 인젝터를 적용한 경우에도 기본 인젝터를 적용한

경우와 동일한 연소 특성을 보이고 있어 본 실험에 적 용한 엔진에 8 공 인젝터를 적용하여 배기 특성 실험을 수행하여도 큰 무리가 없다는 것을 보여주고 있다 .

동일 운전 조건에서 Soot ^{발생량을 측정한 결과를}

Fig. 10 에 나타내었다 . 선도에 나타나 있듯이 6 공 인젝

터를 장착한 경우에 비해 8 공 인젝터를 적용한 경우

Soot 의 발생량이 적은 것으로 나타나고 있으며 , 이러한

경향은 점화 시기가 진각될수록 더욱 뚜렷한 차이를 보 이고 있다 . 이러한 결과는 동일한 연소실 공간에 8 공 인 젝터를 적용함으로써 연소실 내의 공기와 연료의 혼합 율이 높기 때문에 나타나는 현상이다 .

따라서 인젝터 노즐 홀 수의 증가는 연소실 내부의 연료와 공기의 혼합율 증가로 입자상 물질의 발생량을 저감시킬 수 있다는 것을 실험적으로 확인할 수 있다 .

한편 , HC 측정 결과를 Fig. 11 에 나타내었다 . 6 공 인 젝터를 적용한 경우 , HC 의 발생량이 모든 분사 시기에

8 ^{공 인젝터를 적용한 경우 보다 높은 것으로 나타났다} . ^{이러한 현상은} 6 공 인젝터의 경우 동일 분사 압력에서

상대적으로 긴 분무 도달 거리를 가지기 때문에 피스턴

Fig. 9 Drop size histogram of 6_hole injector (P

=60

MPa, T

=1 msec) Fig. 10 IMEP characteristics of test injectors (P

=120

MPa, m

=11.5 mg @1,200 rpm)

Fig. 11 IS_Soot characteristics of test injectors (P

=120 MPa, m

=11.5 mg @1,200 rpm)

Fig. 12 IS_HC characteristics of test injectors (P

=120

MPa, m

=11.5 mg @1,200 rpm)

캐버티와의 Wall Impinging ^{현상이 많이 나타나기 때문}

인 것으로 판단된다 .

5. 결 론

본 연구에서는 인젝터 노즐 홀 수의 변화에 따른 고 압 디젤 인젝터의 클린 디젤 엔진 적용 가능성을 확인 하고 연소실 형상 최적화를 위한 데이터를 확보하기 위 하여 연료 분무 특성 , ^{엔진 연소 및 배기 특성을 실험적}

으로 규명하였으며 , 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다 .

1) 본 실험에 적용한 8 공 인젝터의 분사율은 6 공 인

젝터보다 높은 것으로 측정되었으나 노즐 지름의 감소 로 동일 분사 압력에서 분무 도달 거리는 감소하였다 .

2) 본 실험에 적용한 6 공 및 8 공 인젝터의 SMD 는 분

무 선단부에서는 각각 16~24 ^µ m, 13~21 ^µ m, ^후단부에

서는 각각 12~16 µ m, 11~14 µ m 의 범위에 분포하였으 며 , Overall SMD 는 각각 18.03 µ m, 15.32 µ m 로 계측되 었다 .

3) 6 공 인젝터가 기본으로 장착되는 단기통 엔진 실

험에서 8 공 인젝터의 적용 가능성을 확인하였으며 , 실 험 결과 8 ^{공 인젝터를 적용하였을 경우 연소실 내의 높}

은 혼합율로 soot 발생량이 저감되었으며 , 상대적으로

짧은 분무 도달 거리는 HC 발생량이 저감되는 것으로 나타났다 .

후 기

본 연구는 지식경제부 산업원천기술개발사업 Euro- VI 2 리터급 클린디젤자동차용 인젝터 국산화 기술개발 사업의 지원을 받아 수행한 결과이며 , ^{이에 관계자 여러}

분께 감사드립니다 .

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